| 22 Июля 2010
В 80-х годах прошлого столетия в республике Беларуссия достаточно широкое распространение получило строительство каменных зданий повышенной этажности. Особенно много таких зданий было возведено в столице республики г. Минске. Опыт их эксплуатации показал, что данные здания имеют высокую дефектность и зачастую в несущих каменных конструкциях возникают повреждения критического характера. При этом выявленные повреждения являются системными и носят массовый характер.
В статье приведены примеры повреждений каменных зданий, обследованных НЭОППП «Стройнаука» в г. Минске. Отмечается, что почти в каждом из кирпичных 12-15-этажных домов выявлены трещины в стеновых конструкциях. Установлено, что в большинстве случаев раскрытие трещин имеет циклический характер и связано с сезонными изменениями температуры. Трещины в кирпичной кладке часто образуются в зонах опирания железобетонных или металлических пролетных элементов. Например, под 12-метровыми железобетонными балками перекрытия арочного проезда в кирпичном доме по ул. Богдановича-Некрасова произошел опасный разрыв армированной кладки. При обследовании строящегося 13-этажного кирпичного жилого дома по ул. Воронянского обнаружено, что после воздействия морозов в наиболее напряженных простенках 1-го и 2-го этажей появились трещины вертикальной ориентации и отколы, характерные для стадии разрушения кладки. Указанные простенки оказались в предаварийном состоянии.
Причины повреждений, возникающих в каменных зданиях повышенной этажности, по мнению специалистов, заключаются в следующем:
- В каменных зданиях высотой 9 и более этажей, при шаге поперечных несущих стен 6-7,2м средний уровень вертикальных сжимающих напряжений увеличился в 2-3 раза по сравнению со зданиями высотой до 7 этажей, на которые в основном были ориентированы действующие нормы . При этом более существенно проявляются касательные и растягивающие напряжения, вызванные разной нагруженностью стен.
- С ростом количества этажей увеличиваются силы трения и защемления опор железо-бетонных элементов, заделанных в стены здания. При изменении температуры это приводит к образованию трещин в кладке под торцами железобетонных плит, прогонов, перемычек.
- Согласно действующим нормативным требованиям, каждый простенок многоэтажного здания рассчитывается на нагрузку, соответствующую участку стены, рас-положенному над этим простенком между осями соседних проемов. Перераспреде-ление нагрузки на соседние простенки и стены не учитывается. Это в некоторой степени можно считать оправданным по отношению к простенкам несущих стен. Однако указанное требование расчета распространяется и на самонесущие стены, нагруз-ка на которые за счет перераспределения может быть существенно выше, чем от собственного веса и ветра. В каменных зданиях повышенной этажности при большом шаге поперечных несущих стен это может привести к разрушению самонесущих стен.
- Данные об изменении модуля деформаций под нагрузкой были получены для кладок первой половины ХХ века, отличающихся более деформативным кирпичом, применением известковых, глиняных и цементно-известковых растворов. Коэффициент Пуассона для каменной кладки и данные о влиянии на него величины сжимающих напряжений в литературных источниках не приводятся. Кроме того, в представлены расчетные сопротивления кладки для керамического кирпича и камней пустотностью не более 15%. Для современных керамических кирпичей и камней эти данные в нормах отсутствуют.
- Проектирование современных каменных зданий невозможно без использования про-странственного конечноэлементного расчета и анализа совместной работы строительных конструкций и основания здания. Это позволит учесть перераспределение усилий между вертикальными несущими элементами, обоснованно назначить нагрузки на фундаменты зданий, предотвратить образование трещин в стенах, получить картину деформирования как отдельных участков стен, так и остова здания в целом. При формировании расчетной модели каменного здания требуется знание деформативных характеристик кладки и их изменения по мере увеличения нагрузки. При этом необходимо иметь в виду, что кладка из камней с высокой пустотностью является материалом с выраженными анизотропными свойствами. Системных ис-следований каменной кладки как анизотропного материала в бывшем СССР не проводилось. Вышеизложенные обстоятельства свидетельствовали о необходимости глубокой модернизации действующих норм, на что неоднократно указывали специалисты.
В начале 70-х годов прошлого века развитые страны Европы и Северной Америки столкнулись с энергетическим кризисом. Это побудило их к созданию эффективных кладочных материалов и стеновых ограждающих конструкций, обладающих низкой теплопроводностью. Появились стены из легких бетонных блоков (газосиликатных, пенобетонных, керамзитобетонных), щелевых керамических, силикатных, керамзитобетонных камней. Стены стали возводиться не только однослойными, но и двух-трехслойными с защитным лицевым слоем, воздушной прослойкой, иногда заполненной утеплителем, и внутренним несущим слоем небольшой толщины. Данные стены, обладая хорошими теплофизическими характеристиками, оказались весьма чувствительными к различного рода вынужденным деформациям. Следствием этого явилось снижение трещиностойкости кладки, а в случае ее локальных перенапряжений и прочности.
В последнее десятилетие появились новые технологии кладочных работ, позволяющие при высоком качестве кладочных элементов возводить кладку на тонких растворных швах. Благодаря этому уменьшаются мостики холода, которыми являются растворные швы, снижается расход раствора, увеличивается производительность труда, а прочность кладки на сжатие возрастает. Достаточно отметить, что, например, в Германии более 80% стеновых каменных конструкций возводится на тонких растворных швах. Однако такие кладки имеют и весьма существенные недостатки. Обладая более высокой однородностью (гомогеничностью) по сравнению с кладками на обычных растворных швах, они по своим механическим характеристикам приближаются к неармированному бетону (в случае применения в качестве кладочных элементов полнотелых блоков из газосиликата, пенобетона или керамзитобетона). В этом смысле данные кладки становятся еще более чувствительными к вынужденным деформациям. Ситуация усугубляется, когда кладка возводится из пустотных щелевых камней, особенно керамических с высоким (50% и выше) объемом пустот. Такие кладки на тонких растворных швах, кроме хрупкости, обладают высокой степенью анизотропии. Высокотехнологичные, экономичные и эффективные с точки зрения тепловых и акустических свойств, стеновые конструкции с применением данных кладок, к сожалению, имеют низкую трещиностойкость и малую прочность при действии локальных нагрузок, а в случае использования их в качестве наружного стенового заполнения каркасных зданий - высокую чувствительность к перекосам.
С развитием новых видов кладочных материалов и каменных конструкций в странах Западной Европы и Северной Америки активно велись научные исследования, результатом которых явилось создание национальных документов по расчету и проектированию каменных и армокаменных конструкций и европейских норм Еврокод 6.
В середине 90-х годов эффективные стеновые материалы и стеновые ограждающие конструкции получили широкое распространение в странах СНГ, в связи с ужесточением нормативных требований к сопротивлению теплопередаче ограждающих конструкций. При этом, не обладая соответствующей нормативной базой и опытом строительства, многие технические решения были заимствованы за рубежом, и в первую очередь из европейских стран, где подобные виды кладок и строительные конструкции начали широко внедряться на 20-30 лет ранее. Эксплуатация возведенных зданий с применением новых видов каменных кладок уже в первые 3-5 лет выявила ряд серьезных недостатков, которые во многих случаях приводили к аварийному состоянию стенового ограждения.
Одной из основных причин аварийности зданий, построенных в середине 90-х годов, по мнению ведущих специалистов, является отставание действующих норм от современных технических решений и технологий возведения каменных конструкций. Строительные нормы были ориентированы на технологии возведения каменных кон-струкций 50-60-х годов прошлого столетия, для которых характерными являлись сплош-ные массивные кладки на известково-цементных растворах, что является неприемлемым при современных требованиях по энергосбережению. Указанные обстоятельства определяют необходимость внедрения европейских норм Еврокод 6 (далее ЕС6) в практику расчета и проектирования каменных конструкций на территории Республики Беларусь.
ЕС6 включает в себя следующие части:
• EN 1996-1-1.2005. Еврокод 6- Проектирование каменных конструкций - Часть 1-1: Общие правила для армированных и неармированных конструкций.
• EN 1996-1-1.2005. Еврокод 6 - Проектирование каменных конструкций - Часть 1-2: Общие правила. Проектирование с учетом пожара.
• EN 1996-1-1.2005. Еврокод 6- Проектирование каменных конструкций- Часть 2: Конструктивные требования, доборные материалы и выполнение кладки.
• EN 1996-1-1.2005. Еврокод 6 - Проектирование каменных конструкций - Часть 3: Упрощенные методы проектирования каменных неармированных конструкций.
В настоящее время указанные документы переведены на русский язык и введены в действие на территории Республики Беларусь.
С ЕС6 связан пакет стандартов, касающихся требований, предъявляемых к кладочным элементам, и методов их испытаний (стандарты серии EN 771 и EN 772 соответственно); требований, предъявляемых к кладочным растворам, и методов их испытаний (стандарты EN 998-2 и EN 1015-11 соответственно), методов испытаний кладок (пакет стандартов EN 1052).
Пакет стандартов серии EN 771 включают в себя:
EN 771-1 Требования к кладочным элементам.
Часть 1. Строительный кирпич (керамический)
EN 771-2 Требования к кладочным элементам.
Часть 2. Силикатные строительные блоки
EN 771-3 Требования к кладочным элементам.
Часть 3. Строительные блоки из бетона (на плотных и пористых заполнителях)
EN 771-4 Требования к кладочным элементам.
Часть 4. Строительные блоки из ячеистого автоклавного бетона
EN 771-5 Требования к кладочным элементам.
Часть 5. Бетонные блоки заводского изготовления
EN 771-6 Требования к кладочным элементам.
Часть 6. Природные камни
Все стандарты серии EN 771 в настоящее время введены в действие на территории Республики Беларусь.
Группа стандартов серии EN 772, которая устанавливает методы испытаний технических характеристик кладочных элементов, включает в себя:
EN 772-1 Методы испытания кладочных элементов. Часть 1. Определение прочности на сжатие
EN 772-2 Методы испытания кладочных элементов. Часть 2. Определение процентной доли пустот в строительных блоках (по отпечатку на бумаге)
EN 772-3 Методы испытания кладочных элементов. Часть 3. Определение в керамическом кирпиче объема нетто и процентной доли пустот посредством гидростатического взвешивания (взвешивания под водой)
EN 772-4 Методы испытания кладочных элементов. Часть 4. Определение общего объема открытых пустот в кладочных элементах из натурального камня
EN 772-5 Методы испытания кладочных элементов. Часть 5. Определение количества активных растворимых солей в керамических кладочных элементах
EN 772-6 Методы испытания кладочных элементов. Часть 6. Определение прочности при изгибе и растяжении кладочных элементов из бетона на плотных и пористых заполнителях
EN 772-7 Методы испытания кладочных элементов. Часть 7. Определение водопоглощения керамическими кладочными элементами, применяемыми в водоупорных слоях, – методом кипячения в воде
EN 772-9 Методы испытания кладочных элементов. Часть 9. Определение объема и процентной доли пустот, а также объема нетто керамического кирпича и силикатных блоков посредством заполнения песком
EN 772-10 Методы испытания кладочных элементов. Часть 10. Определение влажности силикатных кладочных элементов и из автоклавного ячеистого бетона
EN 772-11 Методы испытания кладочных элементов. Часть 11. Определение водопоглощения при капиллярном подсосе кладочными элементами из бетона на плотных и пористых заполнителях, штучных естественных камнях и начального водопоглощения керамическими кладочными элементами
EN 772-13 Методы испытания кладочных элементов. Часть 13. Определение плотности нетто и плотности брутто кладочных элементов в сухом состоянии (включая естественные камни)
EN 772-14 Методы испытания кладочных элементов. Часть 14. Определение влагопереноса в кладочных элементах из бетона на плотных и пористых заполнителях и из есте-ственного камня.
EN 772-16:2000+А1:2005 Методы испытаний строительных блоков. Часть 16. Определение размеров
EN 772-18 Методы испытания кладочных элементов. Часть 18. Определение морозостойкости силикатных кладочных элементов.
EN 772-19 Методы испытания кладочных элементов. Часть 19. Определение водопоглощения крупными пустотными керамическими кладочными элементами
EN 772-20:2000+А1:2005 Методы испытаний строительных блоков. Часть 20. Определение плоскостности строительных блоков
EN 772-22 Методы испытания кладочных элементов. Часть 22. Определение морозостойкости керамических кладочных элементов.
Стандарты серии EN 772 в настоящее время введены в действие на территории Республики Беларусь частично.
ЕС6 разрешает применение только тех кладочных элементов, технические характеристики которых соответствуют требованиям EN 771-1 до 6. Надежность расчетов каменной кладки определяется техническими характеристиками кладочных элементов, установленными в соответствии с требованиями EN 772.
В соответствии с ЕС6 характеристическая (нормативная) прочность каменной кладки определяется на основании результатов испытаний опытных образцов, подготовка и испытания которых проводятся согласно требованиям EN 1052.
Пакет стандартов серии EN 1052 включает:
EN 1052-1 Методы испытаний каменной кладки.
Часть 1. Определение прочности при сжатии.
EN 1052-2 Методы испытаний каменной кладки.
Часть 2. Определение прочности на растяжение при изгибе.
EN 1052-3 Методы испытаний каменной кладки.
Часть 3. Определение начальной прочности при сдвиге.
EN 1052-4 Методы испытаний каменной кладки.
Часть 4. Определение прочности на срез (сдвиг) по гидроизоляционному слою.
EN 1052-5 Методы испытаний каменной кладки.
Часть 5. Определение прочности сцепления методом изгибающего момента.
До введения в действие стандартов серии EN 1052 испытания каменной кладки произ-водились в соответствии с требованиями, установленными стандартом СТБ 1376-2002. Стандарт СТБ 1376-2002 гармонизирован со стандартами EN 1052. При этом методики испытаний каменной кладки при сжатии по EN 1052-1 и СТБ 1376-2002 существенно разнятся. Кроме того, СТБ 1376-2002 не содержит указаний по определению нормативной прочности каменной кладки, а также прочности на срез (сдвиг) по гидроизоляционному слою и прочности сцепления.
В настоящее время в Республике Беларусь разрабатываются национальные приложения к ЕС6. Разработка национальных приложений требует выполнения большого объема научно-исследовательских работ по определению физико-механических характеристик кладочных материалов и каменных кладок в соответствии с требованиями евростандартов. Результаты данных исследований будут публиковаться в следующих статьях.
